Mit einer neuen Speichertechnik lassen sich Daten künftig möglicherweise 400 Mal dichter packen als bislang. Erstmals ist es einem Forscherteam gelungen, Informationen auf der Nanometerskala in magnetischer Form mit Hilfe eines elektrischen Feldes zu schreiben, zu lesen und zu speichern.
Das in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ vorgestellte Projekt kombiniert theoretische Untersuchungen an Großrechnern in Jülich und Garching, die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der Universität Halle vorgenommen haben, sowie moderne Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie am KIT in Karlsruhe.
Magneto-elektrische Kopplung
Gegenwärtig dominieren in der Datenspeicherung Festplatten, auf denen Information mit Magnetfeldern geschrieben und ausgelesen wird. Chiphersteller verkleinern dabei ständig den Raum, auf dem sie eine Informationseinheit, ein Bit, unterbringen. Doch um die Kapazität und die Schreibgeschwindigkeit der Festplatte weiter deutlich zu steigern, eignet sich das magnetische Verfahren nicht, weil es bald an fundamentale Grenzen stoßen wird. Eine alternative Schreibmethode könnte da Abhilfe schaffen: die magneto-elektrische Kopplung.
Bei diesem Verfahren wird magnetische Information durch das Anlegen eines elektrischen Feldes geschrieben. Dieses Phänomen wurde bisher vor allem in Isolatoren mit einer komplexen Struktur beobachtet. In gewöhnlichen Metallen tritt dieser Effekt nicht auf, da das elektrische Feld an ihrer Oberfläche eine Ladung induziert. Diese Ladung schirmt das elektrische Feld ab.
Eisenatome überziehen Kupferoberfläche
Anders verhält es sich in der nanoskopischen Schicht eines magnetischen Metalls, wie Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der Universität Halle berechnet haben. In zwei Lagen aus Eisenatomen, die eine Kupferoberfläche überziehen, ändert das elektrische Feld demnach die magnetische Ordnung – und zwar gerade wegen der Oberflächenladung. Diese Ladung erstreckt sich typischerweise nur über eine Atomlage und besteht aus negativ geladenen Elektronen sowie positiv geladenen Atomrümpfen, die durch das elektrischen Feld leicht verschoben werden.
Je nach Richtung des elektrischen Feldes verkleinert oder vergrößert sich dabei nach Angaben der Forscher der Abstand zwischen den Atomen der beiden obersten Atomlagen um wenige milliardstel Millimeter. Diese Verschiebung reicht bereits aus, um die magnetische Ordnung in Eisen zwischen ferromagnetisch und antiferromagnetisch zu schalten.
KIT-Forscher setzen Methode experimentell um
Nachdem die Physiker aus Halle herausgefunden hatten, dass sich im Modellsystem aus zwei Atomlagen Eisen auf Kupfer Information über die magneto-elektrische Kopplung schreiben lässt, setzten Wissenschaftler des KIT in Karlsruhe die Methode experimentell um. Sie verwendeten dazu ein Rastertunnelmikroskop, das zum einen die Abbildung metallischer Oberflächen erlaubt und zum anderen das nötige, extrem hohe elektrische Feld von einer Milliarde Volt pro Meter liefert.
Wie die theoretischen Studien vorhergesagt hatten, schrieben sie magnetische Bits mit Hilfe des lokalen elektrischen Feldes unter der feinen Spitze des Rastertunnelmikroskops auf einer Fläche von gerade mal zwei Nanometer Länge und einem Nanometer Breite.
Noch einige Hürden zu nehmen
Mit ihrer Arbeit haben die Forscher gezeigt, dass sich das Verfahren prinzipiell eignet, um Daten 400 Mal dichter zu packen als es auf heutigen Festplatten möglich ist. Ehe diese Technik jedoch in handelsübliche Speichermedien eingesetzt werden kann, müssen Physiker und Ingenieure noch einige praktische Hürden nehmen.
(MPG, 03.11.2010 – DLO)
